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　　如前所述LabVIEW構(gòu)筑智能的終端機(jī)器人及超高速車

　　國際金屬加工網(wǎng)

　　先進(jìn)制造 ◇ 系列技術(shù)講座

　　1月11日13:30-17:00 2023 Ansys中國機(jī)器人行業(yè)典型研討會

　　結(jié)語

　　1956年，基尼伯格和喬治迪沃爾發(fā)明了第兩個真正意義上的機(jī)器人，Unimate，能繼續(xù)執(zhí)行存儲在波季爾存儲器中的掌控系統(tǒng)各項任務(wù)。到1961年，Unimate已經(jīng)被成功應(yīng)用于紙類的運輸和焊接，現(xiàn)代上這樣的組織工作由工人擔(dān)任——冒著因排出氣體中毒或喪失肢體的風(fēng)險。 Unimate是機(jī)器人用于危險各項任務(wù)場合的晚期例子，如今，機(jī)器人掌控系統(tǒng)已經(jīng)被廣為應(yīng)用于工業(yè)、農(nóng)業(yè)、軍事、航空航天、基礎(chǔ)教育等各個應(yīng)用領(lǐng)域。

機(jī)器人分類繁雜且關(guān)鍵性技術(shù)為數(shù)眾多，從廣義范疇上說，一般來說所說的機(jī)器人主要包括基礎(chǔ)教育機(jī)器人、終端機(jī)器人、工業(yè)機(jī)械臂三大類。機(jī)械臂發(fā)展時間早，產(chǎn)業(yè)化某種程度高，相對已經(jīng)有了成熟的行業(yè)化解方案，特別在汽車制造等應(yīng)用領(lǐng)域，機(jī)械臂已被廣為的運用于生產(chǎn)線裝配。終端機(jī)器人形成繁雜、應(yīng)用靈活，目前商業(yè)化某種程度還不高，相對處于最前沿科學(xué)研究的階段，因此一直以來都是科學(xué)家和技師們關(guān)注的重點。 本文將主要探討終端機(jī)器人及超高速車的科學(xué)研究和開發(fā)。

　　圖1 機(jī)器人掌控系統(tǒng)的分類

盡管終端機(jī)器人形成繁雜且關(guān)鍵性技術(shù)為數(shù)眾多，但具有某些共同的構(gòu)架和重要組成部分，是兩個融合了為數(shù)眾多機(jī)電掌控系統(tǒng)和組件的綜合體系，并透過這些重要組成部分與組件的有機(jī)結(jié)合協(xié)同組織工作，雖然部分組件已有現(xiàn)成的軟硬體輔助工具和化解方案，但如何快速地把各組件集成在一起、展開晚期的整體機(jī)能性驗證，就成了決定機(jī)器人設(shè)計成敗的關(guān)鍵性性環(huán)節(jié)。

　　GUI掌控系統(tǒng)設(shè)計——機(jī)器人設(shè)計的最前沿方法

　　在Google X PRIZE機(jī)構(gòu)、FIRST組織（科學(xué)技術(shù)的啟示與認(rèn)知組織）、RoboCup以及美國國防高級科學(xué)研究計劃處（DARPA）之間展開的競爭大力推進(jìn)了機(jī)器人學(xué)應(yīng)用領(lǐng)域的創(chuàng)新。富有創(chuàng)新思維的開發(fā)者們將機(jī)器人學(xué)的最前沿方法大力推進(jìn)到了GUI掌控系統(tǒng)設(shè)計。在LabVIEWGUI編程平臺下，機(jī)器人學(xué)的專家能對繁雜的機(jī)器人方案展開快速的原型設(shè)計。這些創(chuàng)新工能不用關(guān)心底層的實現(xiàn)細(xì)節(jié)，能將注意力集中到化解手上的工程問題中去。

　　機(jī)器人設(shè)計一般來說包含以下部分的組織工作內(nèi)容，如圖2所示：

　　感知掌控系統(tǒng)

－相連到陀螺儀、CCD、光電、超聲等感應(yīng)器，獲取并處理信息

　　重大決策總體規(guī)劃

　?。喈?dāng)于機(jī)器人的‘大腦’，根據(jù)演算法展開掌控重大決策，順利完成管理協(xié)同、信息處理、體育運動總體規(guī)劃等各項任務(wù)

　　繼續(xù)執(zhí)行掌控

　?。鶕?jù)具體的作業(yè)指令，透過驅(qū)動掌控器、編解碼器和電機(jī)順利完成機(jī)器人的轉(zhuǎn)換器掌控與體育運動繼續(xù)執(zhí)行

　　互聯(lián)網(wǎng)通訊與掌控

　　－機(jī)器人各組件間的通訊互聯(lián)網(wǎng)，順利完成分布式系統(tǒng)掌控與實時掌控

　　過去，由于在每個應(yīng)用領(lǐng)域中必須采用各別的現(xiàn)代輔助工具，其中涉及的知識具有較大的縱向深度，機(jī)械技師、電氣技師以及開發(fā)相關(guān)人員團(tuán)隊都各別黨委機(jī)器人學(xué)的開發(fā)。LabVIEW和NI硬體提供了兩個獨特的、機(jī)能多樣的平臺，它提供了一套標(biāo)準(zhǔn)的可供所有機(jī)器人設(shè)計相關(guān)人員采用的輔助工具，從而使機(jī)器人開發(fā)得到了統(tǒng)一。

來自弗吉尼亞理工大學(xué)機(jī)器人學(xué)與機(jī)械實驗室（RoMeLa）的科折粉，在Dennis Hong教授的黨委下正在展開智能靜態(tài)隱喻機(jī)器人（DARwin）的四足類人機(jī)器人的開發(fā)和科學(xué)研究，目的是對義肢展開科學(xué)研究和開發(fā)。DARwin采用NI LabVIEWGUI掌控系統(tǒng)設(shè)計平臺，能實現(xiàn)全范圍體育運動，并且能準(zhǔn)確地模隱喻類體育運動。小學(xué)生采用LabVIEW分析靜態(tài)四足體育運動、設(shè)計并開發(fā)機(jī)器人掌控掌控系統(tǒng)的原型。如果開發(fā)的原型能令人滿意地組織工作，他們就將Bilaspur布署到運行LabVIEW實時組件的PC/104希伯尼安斯排序機(jī)上。

透過LabVIEW，設(shè)計相關(guān)人員無需成為排序機(jī)專家或開發(fā)相關(guān)人員，就能開發(fā)高級機(jī)器人。例如，一位只有有限LabVIEW和機(jī)器聽覺經(jīng)驗的小學(xué)生在短短幾個小時之內(nèi)，就設(shè)計了兩個讓機(jī)器人利用它帶有的IEEE 1394相機(jī)和NI機(jī)器聽覺開發(fā)組件跟蹤兩個號球的演算法。技師們采用LabVIEW和NI硬體，就能采用機(jī)能強(qiáng)大的GUIC語言快速地設(shè)計并開發(fā)繁雜演算法的原型；并透過DDL方便快捷地將Bilaspur布署到PC、FPGA、微掌控器或?qū)崟r掌控系統(tǒng)之中；還能與幾乎所有的感應(yīng)器、繼續(xù)開傘器展開相連。此外，透過LabVIEW和NI硬體平臺，能支持CAN、調(diào)制解調(diào)器、串行、USB等多種接口，方便快捷地構(gòu)筑機(jī)器人掌控系統(tǒng)的通訊互聯(lián)網(wǎng)?，F(xiàn)在，專家不僅僅能順利完成機(jī)械技師的組織工作，還能成為機(jī)器人設(shè)計者。

　　實例分析1：兩廣理工大學(xué)采用NI LabVIEW設(shè)計救生機(jī)器人蜘蛛

兩廣理工大學(xué)開發(fā)了兩個用于支持營救組織工作的六足機(jī)器人蜘蛛。它是兩個尺寸較小、可終端的智能機(jī)器人，在搜尋被陷的受害者時，它能越過障礙并到達(dá)一般來說難以觸及的地方。替代如清掃雷區(qū)使之無雷化等危險各項任務(wù)中的組織工作相關(guān)人員也是機(jī)器人蜘蛛的另兩個潛在應(yīng)用應(yīng)用領(lǐng)域。

他們設(shè)計了兩個高度可終端的行走方案，它由六只獨立的下肢組成，能任意方向終端機(jī)器人，即使在機(jī)器人終端一般來說不可行或過于危險的地帶。行走與旋轉(zhuǎn)均屬于模仿六足昆蟲而得的基本的高層次體育運動模式。透過三條下肢終端而另外三條下肢抬高，機(jī)器人能達(dá)到期望的行走速度，并提供惡劣地帶所需的足夠平衡。爬行時，機(jī)器人能擠壓透過緊湊的空間和狹縫。單下肢的低層次體育運動步態(tài)是3D空間內(nèi)的幾何原語，如長方形或圓形軌道。

　　圖3如前所述NI LabVIEW設(shè)計的救生機(jī)器人蜘蛛

　　1、24個自由度的多機(jī)能機(jī)電掌控系統(tǒng)及智能體育運動掌控下肢結(jié)構(gòu)與體育運動掌控形成了機(jī)器人蜘蛛關(guān)鍵性特性的一部分。24只智能DC有刷電機(jī)共同驅(qū)動這些下肢，并充當(dāng)行走結(jié)構(gòu)中不可或缺的關(guān)節(jié)。這樣得到了兩個堅固的輕型結(jié)構(gòu)，從而降低了功耗并改善了體育運動靜態(tài)特性。

　　除了這些下肢，機(jī)器人蜘蛛的特性還在于典型的自主機(jī)器人組件，其中包括機(jī)器聽覺、遠(yuǎn)程測量和無線通信。機(jī)器人堅固的殼體內(nèi)包含有嵌入式硬體、兩節(jié)7.2伏的鋰聚合物電池和電量測量裝置。各項任務(wù)參數(shù)、I/O設(shè)置和新的體育運動步態(tài)均能透過無線通信或可終端存儲介質(zhì)傳遞。

機(jī)器人蜘蛛的低層次體育運動有賴于運行時排序的繁雜數(shù)學(xué)模型。憑借ADI公司的Blackfin處理器的高級嵌入式排序能力和LabVIEW的確定性實時性能，機(jī)器人的體育運動表現(xiàn)得有力而平穩(wěn)。如前所述NI LabVIEW嵌入式組件的程序連續(xù)運行兩個逆動力學(xué)演算法，演算法包含三角函數(shù)和矩陣運算，求解恰當(dāng)?shù)年P(guān)節(jié)角Θ1與Θ2，以沿著3D空間內(nèi)的期望軌線精確終端末端繼續(xù)執(zhí)行裝置。

　　所有六足的關(guān)節(jié)角度的排序并行順利完成以確保靜態(tài)體育運動，相應(yīng)地也得到了連續(xù)排序所得的24個電機(jī)的設(shè)置點。這些設(shè)置點透過兩個串行RS485互聯(lián)網(wǎng)傳遞至每只電機(jī)，并由分散PD掌控器轉(zhuǎn)換為實際繼續(xù)執(zhí)行動作。透過同樣的互聯(lián)網(wǎng)，順利完成所有24只繼續(xù)執(zhí)行裝置的位置、反饋和溫度讀數(shù)的采集。

　　2、GUI的實時掌控系統(tǒng)設(shè)計平臺

機(jī)器人蜘蛛應(yīng)用軟件是利用面向Blackfin處理器的LabVIEW嵌入式組件編程實現(xiàn)的。LabVIEW為高層次編程、GUI調(diào)試、GUI多各項任務(wù)處理和確定性的實時行為，提供了兩個理想的嵌入式軟件平臺。面向?qū)ο蟮脑O(shè)計模式有助于進(jìn)一步掌控GUI層次上的繁雜度。例如電機(jī)或感應(yīng)器等主要對象，透過LabVIEW中表示類的機(jī)能性全局變量加以抽象。

　　主要的應(yīng)用框架由以下多個各項任務(wù)組成：

　　?頂層主循環(huán)對由兩個經(jīng)典狀態(tài)機(jī)表示的動作展開總體規(guī)劃，而狀態(tài)機(jī)透過軟件隊列和同步方法（如信號量）與其它循環(huán)相連。通信各項任務(wù)保持兩個與外部世界的無線數(shù)據(jù)相連。

　　?聽覺各項任務(wù)負(fù)責(zé)低層次的圖像處理和距離讀數(shù)。

?體育運動掌控各項任務(wù)管理高層次的體育運動模式與低層次的肢體掌控，并監(jiān)測馬達(dá)的位置與狀態(tài)。

　　?日常各項任務(wù)充當(dāng)兩個通用錯誤處理器。檢測事件與異常，并將其及時間記錄到可終端的存儲介質(zhì)，以供后續(xù)讀取。

　　透過采用LabVIEW嵌入式組件所提供的GUI編程環(huán)境，以及Blackfin處理器的高處理器性能，開發(fā)周期也大為縮短。如前所述LabVIEW的GUI快速調(diào)試模式在演算法的工程實現(xiàn)過程中非常有用，縮短了5倍的開發(fā)時間。

　　實例分析2：弗吉尼亞理工大學(xué)采用NI LabVIEW設(shè)計全自主地面車參加DARPA 城市挑戰(zhàn)賽

DARPA城市挑戰(zhàn)賽需要設(shè)計一輛全自主地面車能在城市環(huán)境中自動導(dǎo)航行駛。在整個賽程中，全自主車需要在6小時內(nèi)穿越60英里，途經(jīng)道路、路口和停車場等各種交通狀態(tài)。在比賽開始時，參賽者會拿到各項任務(wù)檔案公路網(wǎng)地圖，并指定需要按一定順序訪問的檢查站。車輛需要考慮所選道路的車速限制，可能的道路堵塞，以及其他交通狀況。車輛在行駛中必須遵守交通規(guī)則，在十字路口注意安全駕駛和避讓，妥善地處理與其他車輛之間的互動，以最高30英里的時速避讓靜態(tài)和靜態(tài)的障礙物。

來自弗吉尼亞理工大學(xué)的團(tuán)隊需要在12個月開發(fā)出全自主地面車，他們將開發(fā)各項任務(wù)分成四個主要部分：基礎(chǔ)平臺、感知掌控系統(tǒng)、重大決策總體規(guī)劃和通訊架構(gòu)，如圖4所示。每一部分都如前所述NI的軟硬體平臺展開開發(fā)：透過NI硬體與現(xiàn)有車載掌控系統(tǒng)展開交互，并提供操作接口；采用LabVIEWGUI編程環(huán)境來開發(fā)掌控系統(tǒng)軟件，包括通訊架構(gòu)、感應(yīng)器處理和目標(biāo)識別演算法、激光測距儀和如前所述聽覺的道路檢測、駕駛行為掌控、以及底層的車輛接口。

　　圖4 超高速車Odin的掌控系統(tǒng)構(gòu)架

他們的參賽車Odin是2005年福特翼虎(Escape)混合動力型越野車，并為自主駕駛做了一定某種程度的改裝。NI CompactRIO掌控系統(tǒng)與翼虎操控掌控系統(tǒng)展開交互，透過線控驅(qū)動(drive-by-wire)的方式掌控油門、方向盤、轉(zhuǎn)向和制動。小學(xué)生們利用LabVIEW掌控設(shè)計與仿真組件開發(fā)了路徑曲率和速度掌控掌控系統(tǒng)，并透過LabVIEW實時組件和FPGA組件布署到CompactRIO硬體平臺加以實現(xiàn)，從而建立了兩個獨立的車輛掌控平臺。與此同時，小學(xué)生采用LabVIEW觸摸屏組件和NI TPC - 2006觸摸屏構(gòu)筑用戶界面并安裝在掌控臺。

　　LabVIEW平臺提供了兩個直觀，易于采用的調(diào)試環(huán)境，能讓開發(fā)團(tuán)隊實時地監(jiān)測源代碼的運行，從而方便快捷的實現(xiàn)硬體在環(huán)調(diào)試。透過LabVIEW開發(fā)環(huán)境，團(tuán)隊快速能構(gòu)筑掌控系統(tǒng)原型并加快設(shè)計的往復(fù)周期。此外， LabVIEW與硬體的無縫相連，對于繼續(xù)執(zhí)行某些關(guān)鍵性操作如感應(yīng)器處理和車輛掌控是至關(guān)重要的。由于城市挑戰(zhàn)賽問題繁雜且開發(fā)時間很短，這些因素對于開發(fā)團(tuán)隊的成功發(fā)揮了關(guān)鍵性作用。

　　總結(jié)

GUI掌控系統(tǒng)設(shè)計對于繼續(xù)加快機(jī)器人設(shè)計中的創(chuàng)新而言是必不可少的。繁雜的現(xiàn)代輔助工具可能會阻礙機(jī)器人技術(shù)的進(jìn)步。LabVIEW提供了兩個綜合的、可擴(kuò)展的平臺，能橫跨設(shè)計、原型開發(fā)和布署階段，因此技師們能不用為微小的實現(xiàn)細(xì)節(jié)所困擾，能更加關(guān)注機(jī)器人本身。他們能采用同樣強(qiáng)大的平臺，對微掌控器直至FPGA等各種掌控器展開編程；還能同幾乎任何感應(yīng)器和繼續(xù)開傘器發(fā)送與接收信號；設(shè)計并仿真靜態(tài)掌控掌控系統(tǒng)；以及實現(xiàn)展開遠(yuǎn)程監(jiān)視或掌控機(jī)器人的接口。LabVIEWGUI掌控系統(tǒng)設(shè)計平臺透過為所有機(jī)器人設(shè)計者提供兩個統(tǒng)一的平臺，鼓勵設(shè)計更為精妙的機(jī)器人。

　　( 文章來源：互聯(lián)網(wǎng) )

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